長(zhǎng)征－7新一代中型運(yùn)載火箭首飛大捷 中國(guó)空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)順利開(kāi)啟

中國(guó)航天/ Aerospace China

長(zhǎng)征－7新一代中型運(yùn)載火箭首飛大捷 中國(guó)空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)順利開(kāi)啟

2016年6月25日，我國(guó)首枚新一代中型運(yùn)載火箭長(zhǎng)征－7在新建的海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)順利升空，把遠(yuǎn)征－1A上面級(jí)、多用途飛船縮比返回艙等載荷組合體送入近地點(diǎn)200km、遠(yuǎn)地點(diǎn)394km的橢圓軌道，這標(biāo)志著長(zhǎng)征－7首飛任務(wù)取得圓滿成功，從而全面拉開(kāi)我國(guó)載人航天工程空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)的序幕。

這次發(fā)射是載人航天工程空間實(shí)驗(yàn)室階段4次飛行任務(wù)的開(kāi)局之戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)了成功首飛的預(yù)定目標(biāo)，為后續(xù)任務(wù)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，后續(xù)將陸續(xù)發(fā)射天宮－2空間實(shí)驗(yàn)室、神舟－11載人飛船和天舟－1貨運(yùn)飛船。它也是我國(guó)大中型運(yùn)載火箭更新?lián)Q代的開(kāi)幕戰(zhàn)和海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)的第一戰(zhàn)，為今年晚些時(shí)候長(zhǎng)征－5新一代大型運(yùn)載火箭的首飛積累了經(jīng)驗(yàn)。

長(zhǎng)征－7首飛升空驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和各項(xiàng)性能指標(biāo)，考核了海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的能力，檢驗(yàn)了工程相關(guān)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性和匹配性。同時(shí)，該火箭搭載的多用途飛船縮比返回艙等載荷開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)。

所以，長(zhǎng)征－7首飛在中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展史上具有里程碑意義，對(duì)于構(gòu)建我國(guó)未來(lái)空間運(yùn)輸體系、加快我國(guó)現(xiàn)役運(yùn)載火箭的更新?lián)Q代，都起到巨大的推動(dòng)作用。

1 物美價(jià)廉的新火箭

長(zhǎng)征－7是為滿足我國(guó)載人航天工程發(fā)射貨運(yùn)飛船而研制的新一代高可靠、高安全的中型運(yùn)載火箭，采用兩級(jí)半構(gòu)型，其最大的變化是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由原來(lái)常溫的偏二甲肼/四氧化二氮發(fā)動(dòng)機(jī)改為新研制的低溫液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。由于液氧的溫度為－183℃，所以火箭在保持低溫、防水、隔熱等方面要面面俱到。例如，必須通過(guò)絕熱方式對(duì)火箭進(jìn)行嚴(yán)格控制，需給這一“冰箭”穿上“絕熱服”，保證火箭不被熱量“入侵”，其低溫貯箱外表1～2cm厚、密度極低的隔熱結(jié)構(gòu)也像給火箭披上了一件“防寒服”，有了這件“防寒服”，盡管推進(jìn)劑溫度如此之低，但火箭外表面溫度依然能保持在0℃以上，可防止低溫貯箱外表面溫度過(guò)低而導(dǎo)致結(jié)冰，以及極低溫度對(duì)儀器、電纜等的影響；另外，為了防止空氣中的水蒸氣因低溫凝結(jié)，長(zhǎng)征－7在設(shè)計(jì)時(shí)還考慮了防水設(shè)施。

之所以用低溫的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)替換以前的偏二甲肼/四氧化二氮發(fā)動(dòng)機(jī)，是因?yàn)橛靡貉?煤油發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)多多：一是可以顯著提高火箭的運(yùn)載能力，長(zhǎng)征－7上的120t液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)采用了世界上最先進(jìn)的高壓補(bǔ)燃循環(huán)系統(tǒng)，其比沖比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)提高了20%，把我國(guó)火箭的近地軌道運(yùn)載能力由8.5t一下提高到13.5t。二是推進(jìn)劑綠色環(huán)保，全箭采用了我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、交付前可進(jìn)行工藝試車的兩種液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，無(wú)毒、無(wú)污染，液氧和煤油燃燒后產(chǎn)生的二氧化碳和水不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染，它的研制成功并實(shí)現(xiàn)太空飛行，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)火箭動(dòng)力從常規(guī)有毒至綠色無(wú)毒的巨大跨越，秉承了我國(guó)航天綠色環(huán)保的發(fā)展理念，順應(yīng)了國(guó)際潮流。三是推進(jìn)劑來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，平均價(jià)格比現(xiàn)役火箭的推進(jìn)劑低一個(gè)數(shù)量級(jí)，其中作為燃燒劑的煤油每噸的價(jià)格為1萬(wàn)元，而偏二甲肼每噸的價(jià)格為8.2萬(wàn)元；作為氧化劑的液氧每噸的價(jià)格為2000元，而四氧化二氮每噸的價(jià)格為1.8萬(wàn)元，總平均成本僅為常規(guī)推進(jìn)劑的約1/10。發(fā)射“神舟”飛船的長(zhǎng)征－2F火箭如果采用液氧/煤油作為推進(jìn)劑，每次發(fā)射可以節(jié)約推進(jìn)劑費(fèi)用上千萬(wàn)元。四是液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)可以重復(fù)使用，如果掌握了火箭回收技術(shù)，就有望重復(fù)使用液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，從而大大降低火箭的發(fā)射成本。

長(zhǎng)征－7火箭完成垂直總裝測(cè)試

長(zhǎng)征－7是兩級(jí)半構(gòu)型的全液氧/煤油火箭，使用了新型的YF－100、YF－115液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。其基本型箭體總長(zhǎng)53.1m，芯級(jí)直徑3.35m，并聯(lián)了4個(gè)直徑2.25m的助推器，起飛質(zhì)量約597t，起飛推力720t，近地軌道運(yùn)載能力13.5t。其芯一級(jí)直徑為3.35m，裝有2臺(tái)單臺(tái)推力為120t的雙擺液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)（YF－100）；芯一級(jí)還并聯(lián)了4個(gè)直徑均為2.25m的助推器，每個(gè)裝有1臺(tái)單臺(tái)推力為120t的單擺液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)（YF－100）；芯二級(jí)直徑為3.35m，裝有4臺(tái)單臺(tái)推力為18t的雙擺液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)（YF－115）。其整流罩直徑4.2m。

該火箭的外形和我國(guó)現(xiàn)有的火箭體型差別不大，但為了儲(chǔ)存更多的燃料，提供更強(qiáng)的動(dòng)力，它的助推器長(zhǎng)約27m，接近現(xiàn)役火箭助推器長(zhǎng)度的2倍，而這種改變也需要對(duì)火箭的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的更新?，F(xiàn)役火箭固定助推器采用2個(gè)捆綁點(diǎn)，而長(zhǎng)征－7火箭又增加了1個(gè)捆綁點(diǎn)，相對(duì)現(xiàn)役火箭的捆綁方案，長(zhǎng)征－7捆綁裝置的設(shè)計(jì)難度大大增加，但可靠性大幅提升。

長(zhǎng)征－7前期將執(zhí)行發(fā)射貨運(yùn)飛船的任務(wù)，后續(xù)將執(zhí)行發(fā)射載人飛船的任務(wù)。該火箭對(duì)未來(lái)主戰(zhàn)場(chǎng)衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)具有良好地適應(yīng)性，通過(guò)衛(wèi)星發(fā)射可以為載人航天任務(wù)積累可靠性子樣，確保載人航天發(fā)射的可靠性，現(xiàn)計(jì)劃在2020年后用長(zhǎng)征－7發(fā)射載人飛船。

由于采用了新體制，所以長(zhǎng)征－7火箭更可靠。該火箭復(fù)雜的結(jié)構(gòu)給火箭的“大腦”控制系統(tǒng)也帶來(lái)了全新的挑戰(zhàn)。為了更好地控制火箭的飛行過(guò)程，將航天器精確送入軌道，長(zhǎng)征－7是按照載人航天標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的火箭，控制系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了冗余，所以可靠性得到大幅提升?？刂葡到y(tǒng)創(chuàng)新采用了143項(xiàng)智能控制軟件，這是現(xiàn)役火箭軟件使用量的30倍以上，大大提高了控制精確度。在每個(gè)艙段中都安裝了控制系統(tǒng)，改變了以往集中處理的方式，減輕了控制系統(tǒng)壓力，這也標(biāo)志著我國(guó)火箭控制系統(tǒng)已向全面數(shù)字化控制模式發(fā)展。長(zhǎng)征－7在未來(lái)成熟后，將成為新一代載人火箭，用于發(fā)射新一代載人飛船。

按照我國(guó)運(yùn)載火箭的型譜規(guī)劃，這次發(fā)射長(zhǎng)征－7火箭是我國(guó)新一代中型運(yùn)載火箭的基本型，其成功發(fā)射也將帶動(dòng)未來(lái)其他構(gòu)型火箭的研制。它采用了高可靠、高安全、通用化、組合化設(shè)計(jì)，以長(zhǎng)征－7基本型火箭為基礎(chǔ)，可通過(guò)調(diào)整助推器個(gè)數(shù)、增加固體助推器、增加上面級(jí)、增加氫氧三子級(jí)，衍生出多種構(gòu)型的火箭，實(shí)現(xiàn)我國(guó)新一代中型運(yùn)載火箭的系列化，從而全面滿足發(fā)射近地軌道、太陽(yáng)同步軌道和地球同步轉(zhuǎn)移軌道等各種軌道航天器的需求。例如，可研制太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力為5.5t和地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為7t的中型運(yùn)載火箭，承擔(dān)國(guó)內(nèi)外主流衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)。由于該火箭的芯級(jí)直徑和助推器直徑分別為3.35m和2.25m，既可以用鐵路進(jìn)行運(yùn)輸，也能采取海運(yùn)方式，所以長(zhǎng)征－7在我國(guó)4個(gè)航天發(fā)射場(chǎng)都能發(fā)射。預(yù)計(jì)到2021年火箭各項(xiàng)技術(shù)趨于成熟穩(wěn)定時(shí)，長(zhǎng)征－7將逐步替代現(xiàn)有的長(zhǎng)征－2、3、4系列，承擔(dān)我國(guó)80%左右的發(fā)射任務(wù)。

長(zhǎng)征－7通過(guò)移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)以平均15.3m/min的速度行駛。經(jīng)過(guò)約3h，行進(jìn)2.8km后，順利轉(zhuǎn)由垂直總裝測(cè)試廠房運(yùn)至發(fā)射架。圖中正在關(guān)閉發(fā)射架，進(jìn)行發(fā)射前的最后準(zhǔn)備（秦憲安/攝）

2 中國(guó)航天的新動(dòng)力

長(zhǎng)征－7的最大亮點(diǎn)是采用了多臺(tái)全新的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)這種低溫動(dòng)力系統(tǒng)，它由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司六院研制。其中，火箭的助推器與芯一級(jí)火箭一共使用了6臺(tái)120t液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)火箭使用了4臺(tái)18t液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。

在研究這種新一代發(fā)動(dòng)機(jī)之初，我國(guó)專家就決定選擇無(wú)毒的液氧和烴類推進(jìn)劑。通過(guò)比較煤油、甲烷和丙烷等幾種推進(jìn)劑，研制人員確定了采用代表技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的液氧/煤油作為推進(jìn)劑。然而，火箭“喝”的煤油不同于一般的煤油，具有密度大、熱值高等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)努力，我國(guó)研制出了國(guó)產(chǎn)的火箭煤油。

在其研制過(guò)程中突破了近80項(xiàng)設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)技術(shù)，帶動(dòng)了我國(guó)50余種新材料的研制，其中最為突出的是以下7項(xiàng)新技術(shù)。

1）先進(jìn)的補(bǔ)燃循環(huán)技術(shù)。液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)采用的補(bǔ)燃循環(huán)是一種閉式循環(huán)，能使全部推進(jìn)劑的化學(xué)能得到充分釋放，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。所謂補(bǔ)燃循環(huán)是燃?xì)饨?jīng)渦輪做功后進(jìn)入燃燒室進(jìn)行二次燃燒（補(bǔ)燃），從而更充分地利用推進(jìn)劑的能量。相對(duì)發(fā)生氣循環(huán)來(lái)說(shuō)，補(bǔ)燃循環(huán)方式的綜合效率更高，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大。

2）先進(jìn)的自身起動(dòng)技術(shù)。補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)首先要解決自身起動(dòng)這一難題。我國(guó)以往的發(fā)動(dòng)機(jī)需要依靠專門的火藥起動(dòng)器等裝置，而液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了自身起動(dòng)，二者的差距如同將老式的手搖拖拉機(jī)改為了一擰鑰匙即能啟動(dòng)的汽車。

3）大范圍推力調(diào)節(jié)技術(shù)。為了提高運(yùn)載火箭的性能和適應(yīng)性，液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)具有大范圍推力調(diào)節(jié)能力，如同自動(dòng)檔的汽車，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。對(duì)于載人航天來(lái)說(shuō)，通過(guò)推力調(diào)節(jié)可以有效降低火箭飛行中的加速度，提高航天員的舒適度，降低對(duì)航天員的體能要求，使普通人也有望遨游太空。

4）先進(jìn)的高效燃燒技術(shù)。在空間很小的腔體內(nèi)完成推進(jìn)劑的高效燃燒，是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)訣竅。液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒腔體較小，而燃燒效率達(dá)到98%以上。

5）高壓大功率的渦輪泵技術(shù)。渦輪泵是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源泉，被稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟。液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的泵產(chǎn)生的最高壓強(qiáng)達(dá)到500個(gè)大氣壓。

6）多次試車技術(shù)。與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)只要一試車就報(bào)廢、只能一次性使用相比，液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)在地面可重復(fù)試車，重復(fù)點(diǎn)火，從而節(jié)約研試成本，縮短研制周期；每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)交付前，均進(jìn)行工藝驗(yàn)收試車，大大提高了火箭飛行的可靠性及性能。由于液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)具有多次工作的能力，發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)出來(lái)后可以進(jìn)行試車考核，通過(guò)“磨合”試驗(yàn)后重新校準(zhǔn)、檢查，合格后再交付使用，使發(fā)動(dòng)機(jī)的精確度和可靠性得到保證。同時(shí)，可以在此技術(shù)基礎(chǔ)上研制重復(fù)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)，使運(yùn)載火箭能實(shí)現(xiàn)天地往返的可重復(fù)飛行。

7）先進(jìn)的試驗(yàn)技術(shù)。為了保證液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，六院建設(shè)了亞洲最大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)和大功率泵試驗(yàn)室，為我國(guó)研制載人登月重型運(yùn)載火箭的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

利用這7項(xiàng)突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)成為了我國(guó)長(zhǎng)征－6新一代小型運(yùn)載火箭、長(zhǎng)征－7新一代中型運(yùn)載火箭和長(zhǎng)征－5新一代大型運(yùn)載火箭的主動(dòng)力，將為我國(guó)今后載人航天、探月工程、空間實(shí)驗(yàn)室，乃至深空探索等重大專項(xiàng)任務(wù)提供更加強(qiáng)大可靠的動(dòng)力。

當(dāng)然，采用液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)低溫動(dòng)力系統(tǒng)的長(zhǎng)征－7，其燃料加注也不簡(jiǎn)單，它包括貯箱及加注管路置換、加注管路及箭上貯箱小流量加注預(yù)冷、箭上快速加注、減速小流量加注、射前補(bǔ)加幾個(gè)階段。

在120t液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，為了解決高低溫、高壓、強(qiáng)氧化、高轉(zhuǎn)速、大功率等問(wèn)題，我國(guó)研制開(kāi)發(fā)了近50種新材料，包括高強(qiáng)度耐氧化的不銹鋼、高溫合金、納米涂層等等。在新工藝方面，通過(guò)技術(shù)攻關(guān)突破了30多項(xiàng)關(guān)鍵工藝，其中多項(xiàng)技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。這些新材料、新工藝一經(jīng)問(wèn)世，就受到其他行業(yè)的關(guān)注并應(yīng)用，促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

我國(guó)新一代大型、小型、中型火箭—長(zhǎng)征－5、6、7都使用120t液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。通過(guò)該液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)的模塊化組合，我國(guó)可形成低地球軌道10～25t、太陽(yáng)同步軌道5～15t、地球同步轉(zhuǎn)移軌道6～13t的運(yùn)載能力，與國(guó)外最先進(jìn)的宇宙神－5、德?tīng)査?、獵鷹－9、阿里安－5、“安加拉”運(yùn)載火箭處于同一水平。120t液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成功，將為我國(guó)載人航天工程、月球探測(cè)工程以及下一步深空探測(cè)工程奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2016年6月22日，長(zhǎng)征－7火箭由技術(shù)區(qū)轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)途中

3 別開(kāi)生面的新法寶

從總體上講，長(zhǎng)征－7有六項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)。一是新動(dòng)力，各級(jí)均采用新研的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)及與之適應(yīng)的新型低溫增壓輸送系統(tǒng)，研制難度大，但推力大，更環(huán)保。二是新布局，助推器長(zhǎng)度為現(xiàn)役運(yùn)載火箭的2倍，采用三支點(diǎn)捆綁方案，使可靠性大增；二級(jí)尾艙空間緊湊，通過(guò)采用二次分離確保級(jí)間分離的可靠性。三是新環(huán)境，新型動(dòng)力系統(tǒng)及多發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)導(dǎo)致箭上和地面的力、熱環(huán)境嚴(yán)酷；海南發(fā)射場(chǎng)高溫、高濕、鹽霧、淺層風(fēng)及雷電等自然環(huán)境條件帶來(lái)新挑戰(zhàn)。四是新結(jié)構(gòu)，采用三維設(shè)計(jì)/制造技術(shù)，打通從設(shè)計(jì)到制造的全三維流程。五是新體制，使用新型總線控制，實(shí)現(xiàn)遙、外測(cè)一體化設(shè)計(jì)，采用天基測(cè)控實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)中繼傳輸，使火箭更可靠。六是新測(cè)發(fā)，采用“新三垂”測(cè)發(fā)模式，轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中保持箭/地氣、液、電連接狀態(tài)不變，起飛段采用大流量噴水系統(tǒng)進(jìn)行降溫降噪，讓火箭發(fā)射更簡(jiǎn)便。

長(zhǎng)征－7是我國(guó)首枚采用全數(shù)字化手段研制的“數(shù)字火箭”。該火箭在全研制流程沒(méi)有一張紙質(zhì)圖紙，被稱火箭設(shè)計(jì)從紙質(zhì)“連環(huán)畫(huà)”變成了“3D電影”。在生產(chǎn)加工階段火箭實(shí)現(xiàn)了“一鍵式”加工。原來(lái)，工藝員加工某金屬零部件，首先要根據(jù)二維圖紙畫(huà)出工序草圖、手工編制工藝規(guī)程，然后進(jìn)行車、銑、鏜等系列工序?，F(xiàn)在，從原材料變?yōu)槌善?，只需按?dòng)數(shù)控機(jī)床按鈕即可完成，且合格率達(dá)100%，可謂是一鍵定“乾坤”，極大地提升了生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

長(zhǎng)征－7火箭被裝在活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上與“臍帶塔”連接，從而保證火箭從裝配完成到發(fā)射時(shí)都保持垂直狀態(tài)（秦憲安/攝）

在試驗(yàn)、裝配階段，這一“數(shù)字火箭”應(yīng)用了“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”，對(duì)火箭進(jìn)行虛擬裝配、虛擬試驗(yàn)，真實(shí)模擬火箭實(shí)際裝配和試驗(yàn)環(huán)境，所以可提前預(yù)見(jiàn)可能發(fā)生的問(wèn)題，確保了火箭試驗(yàn)、裝配“一次成”。長(zhǎng)征－7火箭的首飛成功，代表了我國(guó)近60年運(yùn)載火箭研制領(lǐng)域的最高水平，標(biāo)志著我國(guó)新一代運(yùn)載火箭在數(shù)字化設(shè)計(jì)能力上已躋身國(guó)際先進(jìn)行列。

火箭在發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行的垂直總裝、垂直測(cè)試、垂直轉(zhuǎn)場(chǎng)，被稱為“三垂模式”。現(xiàn)役火箭中采用的“三垂模式”，其箭/地連接工作在技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)要進(jìn)行兩次，而長(zhǎng)征－7采用的“新三垂模式”，僅一次連接就可以完成工作，狀態(tài)的一致性更好，且前端地面測(cè)發(fā)控設(shè)備在技術(shù)區(qū)進(jìn)行了充分測(cè)試，轉(zhuǎn)至發(fā)射區(qū)以后出現(xiàn)故障的概率更低，有效提高了發(fā)射的可靠性，同時(shí)也縮短了發(fā)射工作時(shí)間，減少了火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)后遇到惡劣天氣再返回技術(shù)區(qū)的情況發(fā)生。

因?yàn)殚L(zhǎng)征－7火箭是采用海運(yùn)方式從天津運(yùn)到文昌航天發(fā)射場(chǎng)的，對(duì)于海運(yùn)，過(guò)載環(huán)境主要表現(xiàn)為低頻晃動(dòng)。過(guò)載環(huán)境差會(huì)危害火箭的結(jié)構(gòu)。為此，我國(guó)專家設(shè)計(jì)出了一整套運(yùn)載火箭海上環(huán)境保障措施和火箭集裝箱減搖減振的手段，并使火箭貨艙內(nèi)始終維持適宜的溫、濕度及鹽霧度。火箭在海運(yùn)過(guò)程中，在火箭的芯一級(jí)、芯二級(jí)、助推器、整流罩上，以及它乘坐的船上、裝載的集裝箱上布置了30個(gè)測(cè)量點(diǎn)。結(jié)果表明，其過(guò)載環(huán)境數(shù)據(jù)不僅優(yōu)于設(shè)計(jì)值，而且僅為鐵路運(yùn)輸過(guò)載環(huán)境數(shù)據(jù)值的1/3、公路運(yùn)輸?shù)?/2。過(guò)載數(shù)據(jù)值越低，火箭的運(yùn)輸環(huán)境就越平穩(wěn)，對(duì)火箭結(jié)構(gòu)的影響就越小，因而越有利于火箭安全抵達(dá)目的地。所以專家稱，火箭走公路、鐵路，就像坐“硬板床”；乘船走海運(yùn)，就好似坐“沙發(fā)”。

另外，新建的文昌航天發(fā)射場(chǎng)本身也有許多亮點(diǎn)。例如：長(zhǎng)征－7火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)能拐4個(gè)60°的彎，以便和長(zhǎng)征－5火箭共用一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)軌道，節(jié)省占地面積。通過(guò)大量的計(jì)算表明，長(zhǎng)征－7轉(zhuǎn)場(chǎng)要轉(zhuǎn)4個(gè)彎，轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)為20m，最大轉(zhuǎn)彎角度在60°左右，這樣火箭轉(zhuǎn)彎最省勁兒。而火箭轉(zhuǎn)彎時(shí)的速度也是有講究的。經(jīng)過(guò)3 年的努力，取得了活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)轉(zhuǎn)彎行走原理試驗(yàn)的成功。這是航天發(fā)射支持系統(tǒng)的一次重大突破，讓我國(guó)運(yùn)載火箭活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)轉(zhuǎn)彎行走實(shí)現(xiàn)了零的突破。目前，除日本外，我國(guó)是世界上第2個(gè)掌握單軌差速轉(zhuǎn)彎行走技術(shù)的國(guó)家，也是繼美國(guó)、歐洲、日本之后世界上第4個(gè)掌握發(fā)射平臺(tái)轉(zhuǎn)彎行走技術(shù)的國(guó)家。

文昌發(fā)射場(chǎng)有專門的臍帶塔。這是因?yàn)檫@里風(fēng)大，而我國(guó)臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)能力僅能提前1周，以往火箭所有的管路連接以及測(cè)試驗(yàn)證都是在發(fā)射陣地進(jìn)行的，大概需要20天左右的時(shí)間，如今天氣的不確定性，使火箭不能在發(fā)射陣地如此長(zhǎng)時(shí)間工作。為此，設(shè)計(jì)人員專門設(shè)計(jì)了臍帶塔，使火箭在技術(shù)陣地完成相關(guān)技術(shù)的驗(yàn)證和試驗(yàn)后，在轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中可以保證所有連接狀態(tài)不變，到發(fā)射陣地后直接進(jìn)行加注發(fā)射，縮短了在火箭發(fā)射陣地的測(cè)試時(shí)間。長(zhǎng)征－7臍帶塔高約64.5m，它們分上、中、下三段，呈錐形，重約250t。國(guó)外的火箭也有臍帶塔，但長(zhǎng)征－7火箭的臍帶塔最特別，它的兩側(cè)裝有6根擺桿，內(nèi)部鋪設(shè)有加注、供氣、空調(diào)管路和箭上眾多控制電纜，以及配氣臺(tái)和中頻電源房間，因此它的結(jié)構(gòu)及組成是最復(fù)雜的。

另外，文昌航天發(fā)射場(chǎng)的火箭發(fā)射平臺(tái)采用了噴水降溫措施。長(zhǎng)征－7發(fā)射點(diǎn)火的剎那，溫度會(huì)高達(dá)3000℃，足以溶化絕大多數(shù)金屬和非金屬材料，即便火箭發(fā)射平臺(tái)由特殊材料制成，表面有防熱涂層，也很難承受如此高的溫度。和過(guò)去主要起支撐作用的鋼制發(fā)射平臺(tái)不同，文昌航天發(fā)射場(chǎng)使用的新一代發(fā)射平臺(tái)功能更強(qiáng)大，它在綜合發(fā)射系統(tǒng)主要功能基礎(chǔ)上，將火箭總控網(wǎng)、控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)部分設(shè)備集于一身，如溫度太高，發(fā)射平臺(tái)將可能遭到損壞，進(jìn)而影響火箭發(fā)射的安全性。所以專門采用了噴水降溫和涂特種防護(hù)涂層等方式，使它不怕被高溫摧毀。國(guó)際上先進(jìn)的降溫方法是噴水降溫，文昌火箭發(fā)射臺(tái)的噴水系統(tǒng)分兩級(jí)，一級(jí)位于發(fā)射平臺(tái)上，在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前給發(fā)射平臺(tái)噴一層5cm厚水膜；二級(jí)位于發(fā)射平臺(tái)兩旁5m高空，在火箭飛達(dá)5m高以后向箭體尾部火焰中心噴水。兩級(jí)噴水設(shè)施各噴20余秒，完成400t的噴水量。在400t水中，有30%的水會(huì)汽化到大氣中，60%的水則通過(guò)導(dǎo)流槽流走，水份蒸發(fā)帶走大量的熱，發(fā)射平臺(tái)核心區(qū)降溫幅度在1000℃左右。該系統(tǒng)還有良好的降低噪音效果。另外，還要事先給2000m2發(fā)射平臺(tái)涂4t“防曬霜”，對(duì)發(fā)射平臺(tái)也有一定保護(hù)作用。

4 有效載荷的新成果

這次長(zhǎng)征－7發(fā)射搭載了遠(yuǎn)征－1A上面級(jí)、多用途飛船縮比返回艙等6種試驗(yàn)載荷。

1）遠(yuǎn)征－1A上面級(jí)。它具有獨(dú)立自主飛行、多次啟動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間在軌等特點(diǎn)，由長(zhǎng)征－7送入近地軌道后，能將其他有效載荷從某一軌道送入其他軌道或空間位置。其主要任務(wù)是：驗(yàn)證多次啟動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間在軌飛行等技術(shù)，并作為其他載荷的搭載平臺(tái)，按程序?qū)㈠埤垼?、“翱翔之星”、“天鴿飛行器”等分別“擺渡”到不同的預(yù)定軌道，開(kāi)展相關(guān)在軌試驗(yàn)。

遠(yuǎn)征－1A上面級(jí)是在遠(yuǎn)征－1基礎(chǔ)上繼承研制的，突破了泵壓式發(fā)動(dòng)機(jī)在軌多次起動(dòng)技術(shù)?，F(xiàn)有的衛(wèi)星都采用擠壓式起動(dòng)技術(shù)，推力相對(duì)較小，變軌入軌時(shí)間比較長(zhǎng)。這次發(fā)射的遠(yuǎn)征－1A采用了泵壓式起動(dòng)技術(shù)后，推力為衛(wèi)星變軌發(fā)動(dòng)機(jī)的10余倍，能夠加速飛行器的入軌，快速把飛行器送到預(yù)定軌道。遠(yuǎn)征－1A在軌飛行時(shí)間從遠(yuǎn)征－1的6.5h延長(zhǎng)至48h，主發(fā)動(dòng)機(jī)由2次啟動(dòng)增加至20次啟動(dòng)，分離次數(shù)由1次增加至7次。

2）多用途飛船縮比返回艙。它由上面級(jí)控制在軌飛行約20h，之后返回艙與上面級(jí)分離，再入返回東風(fēng)著陸場(chǎng)。它主要用于獲取返回艙飛行氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱數(shù)據(jù)，驗(yàn)證可拆卸防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新型輕量化金屬材料制造等關(guān)鍵技術(shù)，并開(kāi)展黑障通信技術(shù)試驗(yàn)。2016年6月26日15：41，該返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)西南戈壁區(qū)安全著陸回收，為后續(xù)新型載人飛船的論證設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)奠定了重要基礎(chǔ)。

3）遨龍－1空間碎片主動(dòng)清理飛行器。它是我國(guó)在空間碎片主動(dòng)清理領(lǐng)域的首次在軌驗(yàn)證。它裝載了一臺(tái)機(jī)械臂，用于模擬在太空抓取廢棄衛(wèi)星和其他大塊碎片，驗(yàn)證碎片清除關(guān)鍵技術(shù)，任務(wù)結(jié)束后進(jìn)行鈍化處理，將它們帶到大氣層進(jìn)行燒毀。遨龍－1的應(yīng)用，將會(huì)對(duì)未來(lái)減少空間碎片、節(jié)省太空軌道資源起到積極的促進(jìn)作用。

4）2個(gè)“天鴿飛行器”。它們的主要作用是驗(yàn)證空間組網(wǎng)通信技術(shù)，在軌開(kāi)展信息中繼技術(shù)試驗(yàn)，此次發(fā)射的2個(gè)“天鴿飛行器”用于組網(wǎng)進(jìn)行相互通信，也作為信息中轉(zhuǎn)站進(jìn)行天地信息傳輸。下一步，可以發(fā)射更多的“天鴿飛行器”，進(jìn)行局域組網(wǎng)，相互之間通信或與地面進(jìn)行通信，可以作為發(fā)生災(zāi)害等情況時(shí)的應(yīng)急通信手段。

5）天源－1在軌加注試驗(yàn)裝置。它用于驗(yàn)證我國(guó)的太空加注燃料技術(shù)，即在軌道上為衛(wèi)星、空間站等航天器進(jìn)行氣、液補(bǔ)給的試驗(yàn)。航天器的壽命往往受所攜帶燃料的制約，如何為航天器在軌安全有效地補(bǔ)充加注燃料，即“加油”，一直是國(guó)際航天推進(jìn)領(lǐng)域關(guān)注的前沿技術(shù)。

此次發(fā)射的基于表面張力貯箱的在軌加注試驗(yàn)裝置是針對(duì)衛(wèi)星在軌加注需求設(shè)計(jì)的。該技術(shù)具有無(wú)補(bǔ)加次數(shù)限制、質(zhì)量輕、功耗低、可靠性高的特點(diǎn)，但技術(shù)難度大。天源－1按照預(yù)定計(jì)劃完成了全部在軌加注試驗(yàn)任務(wù)。試驗(yàn)圖像資料和數(shù)據(jù)順利下傳，搭載試驗(yàn)取得圓滿成功，使我國(guó)成為繼美國(guó)之后第二個(gè)掌握衛(wèi)星在軌加注技術(shù)的國(guó)家。對(duì)補(bǔ)加過(guò)程圖像資料和數(shù)據(jù)的分析表明，此次在軌加注裝置在軌工作正常，按照預(yù)定計(jì)劃完成了所有試驗(yàn)，達(dá)到預(yù)期試驗(yàn)?zāi)康?，通過(guò)循環(huán)加注泵完成多次在軌補(bǔ)加。該在軌加注裝置能夠有效實(shí)現(xiàn)氣液分離，具備可重復(fù)補(bǔ)加能力，可以應(yīng)用于衛(wèi)星的在軌加注。

多用途飛船縮比返回艙

該裝置在軌驗(yàn)證了對(duì)接機(jī)構(gòu)的密封性研究、在空間失重環(huán)境下推進(jìn)劑傳輸?shù)奶匦?、在軌加注技術(shù)等。該載荷運(yùn)用了很多新技術(shù)和器件，如新的板式貯箱，其對(duì)推進(jìn)劑蓄留和管理的能力也得到了驗(yàn)證，突破了微重力循環(huán)加注流體管理、加注燃料貯箱等核心技術(shù)。在軌加注試驗(yàn)裝置與遠(yuǎn)征－1A上面級(jí)不分離，試驗(yàn)任務(wù)結(jié)束后再入大氣層燒毀。

6）“翱翔之星”。它是由西北工業(yè)大學(xué)主持研制的立方體衛(wèi)星，在軌工作壽命1年，主要驗(yàn)證偏振光導(dǎo)航技術(shù)，并開(kāi)展地球重力場(chǎng)測(cè)量、空間抗輻射實(shí)驗(yàn)等一系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

宗河/文

Perfect First Flight of CZ-7 Launch Vehicle